洋山深水港进港航道人工开挖段回淤特征

2020-07-25黄志扬袁文昊

水运工程 2020年7期

侯慷，黄志扬，袁文昊，刘璐

(中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120)

洋山进港航道位于杭州湾口外的崎岖列岛海域，属于强潮动力下冲淤基本平衡的淤泥质海域[1]。陈沈良[2]和杨华等[3]总结分析了洋山海域的水文泥沙特征及底质沉积物分布，陈吉余等[4]研究发现了长江口泥沙通过南汇水下沙嘴泥沙通道向杭州湾输移，万新宁[5]和吴明阳等[6]认为洋山海域泥沙来源为长江口输沙以及洋山近岸浅滩潮流、风浪掀沙，戚秀莲等[7]根据洋山海域泥沙环境并结合1993年杭州湾深水航道试挖槽现场观测资料及其研究成果判断航道回淤形式主要为悬沙落淤，并通过浚后观测到的挖槽淤积面较为平整印证了这一判断。

一期工程进港航道于2005年12月开通，设计底高程为-16.5 m(当地理论基准面，下同)，通航宽度300 m，平均疏浚厚度约3 m，交工后监测15个月得到实测回淤强度1.08 m/a。2008年为兼顾LNG船舶通航需求，进港航道拓宽至650 m，拓宽后疏浚量有所增加；2014年相关管理部门考虑到经济性将航道维护底高程调整为-16.0 m，但每年航道仍需要进行维护疏浚。为支撑今后的疏浚施工安排优化，需要对尺度调整后的航道水深分布和回淤特征有清晰认识，本文基于2017—2019年期间的水深监测数据对此开展了研究分析。

1 航道概况及水沙环境

1.1 航道概况

洋山港进港航道外起于马迹山航线交点，内止于港区口门处，全长约65 km，通航宽度650 m，维护底高程-16.0 m，航道两侧边坡比1:15，满足10万吨级集装箱船和10万吨级LNG船双向全潮通行的需求，其中人工开挖段长度约11.2 km，位置见图1。

图1 工程位置

1.2 水沙环境

1.2.1潮汐、潮流

洋山海域呈现明显的半日潮特征，存在潮汐日不等现象，平均涨潮历时6 h 9 min，平均落潮历时6 h 15 min，落潮历时略大于涨潮历时。航道内小衢山水文站平均潮位为2.45 m，平均潮差为2.67 m，向港内方向均逐渐增大。

本工程海域的潮波振动主要由太平洋潮波引起的谐振动形成，由外海沿NW～SE向近岸传播。潮流类型属规则半日浅海潮流性质，潮流运动呈典型的往复流形态，涨、落潮平均流向为114°～292°，与航道轴线方向基本一致，见图2。潮流作用强劲，2018年6月实测资料显示涨潮流速在0.85～1.92 m/s，平均为1.28 m/s；落潮流速在0.77～2.05 m/s，平均为1.33 m/s。总体表现为落潮流速大于涨潮流速。

图2 2018年6月洋山进港航道大潮垂线平均流矢

1.2.2波浪

洋山港海域正常天的波浪以风浪为主，港区外部海域常浪向为N、NE和NNE向，频率为8.98%、8.16%和8.01%，年平均H1/10波高为0.47 m。本海域大浪天气主要由台风与寒潮引起，台风主要发生在夏秋季(集中于7—9月)，平均每年3.6次；寒潮大风出现在西北向，年内以12月和1月次数最多。

1.2.3泥沙

洋山港泥沙来源主要为长江口直接扩散泥沙和潮流携来的海域泥沙，后者的最初来源亦为长江口。长江口水体夏季含沙量高、冬季含沙量低，但由于近岸流系尤其是沿岸流及台湾暖流强度的季节性变化，长江口淡水的入海路径呈季节性摆动，一般夏季呈偏E向、冬季呈偏SE向，因而进入崎岖列岛海域的扩散泥沙夏季较冬季少，故工程海域冬季含沙量高于夏季。根据小洋山站1998—2008年每日高、低潮时表层含沙量资料统计分析：含沙量年际变幅很小，但季节变化呈现明显冬高夏低的现象(图3)，每年冬季含沙量最高，在1.20 kg/m3以上，从3月春季开始含沙量逐渐降低，至7—8月降至最低0.40 kg/m3,而入秋后含沙量逐渐升高，至12月达到最高。

2018年6月进港航道水域实测含沙量平均值为0.52 kg/m3,涨、落潮含沙量相当，垂线含沙量自表层至底层逐层增大。

图3 1998—2008年月平均含沙量变化曲线

1.2.4悬沙、底质

分析2018年6月在航道区域布置的3条测量断面、4条固定垂线及21个底质采样点表明：航道测区悬移质中值粒径优势粒径主要集中在0.004～0.016 mm级别，属于细粉砂，各测点不同潮型间粒径差异不大，由于颗粒较细、垂向交换频繁，悬沙的垂向分布规律不明显；底质中值粒径主要集中在0.010～0.020 mm，以粉砂和砂质粉砂为主，样品中黏粒含量在16%～29%。根据《港口与航道水文规范》[8]及相关研究表明[9-10]，洋山海域的底质普遍较细，黏粒含量较高，具有一定的淤泥质海岸特征，泥沙运动形式以悬移质运动为主。

2 监测期间水深测量及极端天气情况

2017—2019年，每年进行5～6次水深监测，监测时间间隔为1～2月，测量范围覆盖整个进港航道人工开挖段，测图比例1:100 00，具体时间见表1。

表1 2017—2019年洋山进港航道水深监测及航道维护情况

期间由于存在3次维护疏浚，为剔除疏浚开挖对航道地形的人为干预，对2017—2019年的水深监测划分了若干监测期加以回淤统计分析。此外，每年的7—9月为台风多发期，测量期间的台风基本情况见表2，其7级风圈均覆盖到洋山海域。

为避免常风天航道回淤特征和台风天回淤特征的混淆，本文将台风期间的航道回淤单独作为一个监测周期加以分析。据此，将2017年2月—2019年9月的监测时段划分为了6个监测期(表1)。其中，第一、二、四监测期主要反映了航道常风天回淤情况，第三、五、六监测期主要反映了航道台风期间(表2)回淤情况。

表2 洋山海域台风信息

3 航道浅区情况分析

对人工航道疏浚段进行统计分区，从进港到出港方向依次将航道区域划分为1 000 m×650 m的单元，并编号为H1～H11,其中H11单元长度为1 200 m。

2017—2019年3次疏浚前最后一次测图水深平面分布见图4，历次水深沿程分布见图5。进港航道人工开挖段水深不足16 m的浅区主要分布在H5～H9单元区域，故视H5～H9单元区域为常年疏浚区域。其中H7～H8单元水深最浅，平均水深在15.5～15.9 m，最小水深在15.0～15.4 m。

图4 2017年5月进港航道人工开挖段浚前水深平面分布

图5 进港航道人工开挖段浚前水深沿程分布

4 航道回淤统计分析

4.1 常风天航道回淤分析

根据地形测量时间，第一监测期(2017年3—5月)和第四监测期(2019年4—7月)处于春季和夏初阶段，历时较短。在此期间航道均呈现冲淤基本平衡、局部略有冲刷的态势，整个开挖段区域平均冲刷深度分别为0.16、0.09 m，常年疏浚区(H5～H9单元)平均冲刷深度分别为0.10、0.07 m。见图6。

图6 进港航道人工开挖段冲淤分布

第二监测期(2017年9—2018年4月)为秋冬阶段，历时较长，约8个月。在此期间整个开挖段区域以淤积为主，平均淤积厚度0.31 m，其中常年疏浚区(H5～H9单元)平均淤积厚度0.51 m。见图7。

图7 2017年9月—2018年4月进港航道人工开挖段冲淤分布

总体来看，进港航道人工开挖段在常风天期间呈现明显的 “春夏基本冲淤平衡、局部冲刷，秋冬淤积为主”的季节变化规律，淤积区域主要出现在常年疏浚区(H5～H9单元)，见图8。根据2017—2019年实测资料统计分析，常年疏浚区(H5～H9单元)常风天的回淤强度约为0.5 m/a，净淤积量约为160万m3/a。

注：纵坐标中，冲刷厚度为+，淤积厚度为-。

4.2 台风天航道回淤分析

第三监测期(2018年7—9月)，有3次9～10级“登陆型”台风(安比、云雀、温比亚台风)正面(由海向陆)侵袭了洋山水域，在此期间，人工开挖段基本冲淤平衡，其中常年疏浚区(H5～H9单元)平均淤积仅0.04 m，由此可见正面登陆的小型台风对航道回淤影响很小。见图9。

图9 2018年7—9月进港航道人工开挖段冲淤分布

第五监测期内(2019年7—8月)，有1次16级台风“利奇马”在洋山海域南部的浙江台州登陆。在此期间，人工开挖段以冲淤平衡为主，局部地区出现淤积，淤积区域主要出现在H6～H8航槽单元内，淤积幅度在0.2～0.5 m。常年疏浚区(H5～H9单元)平均淤积厚度约0.17 m，淤积量约55万m3。见图10。

图10 2019年7—8月进港航道人工开挖段冲淤分布

第六监测期内(2019年8—9月)，16级台风“玲玲”和12级台风“塔巴”在洋山海域东侧的外海先后经过。在此期间，人工开挖段全线出现明显淤积，平均淤积厚度为0.31 m，其中常年疏浚区(H5～H9单元)淤积更为明显，平均淤积厚度约0.43 m，淤积量约140万m3。见图11。

图11 2019年8—9月进港航道人工开挖段冲淤分布

总体来看，台风对航道回淤会产生一定的影响，淤积程度与台风的风力等级和路径有关。一般来讲台风的风力等级越大，航道回淤越大。从观测资料来看，10级风力以下对航道回淤影响相对较小，但2019年经历两次较大风力等级的台风后产生的淤积量可接近航道1 a的常风天回淤量；其次台风移动路径可能也会对航道回淤产生影响，第六监测期经历过两次外海型台风(16级、12级)产生的淤积量(140万m3)明显大于第五监测期经历过一次登陆型的台风(16级)的淤积量(55万m3)。见图12。

图12 进港航道人工开挖段台风天各监测期沿程回淤分布

5 航道回淤机理

5.1 回淤强度下降原因

根据大通站水文资料(图13)显示，长江口年输沙量呈现逐渐减少的趋势，近年来年平均输沙量仅有1.37亿t。因长江口来沙为洋山海域主要泥沙来源，故洋山水体含沙量也随之有所下降，这对航道水深维护、回淤强度的减小起到了积极作用。受之影响，洋山海域(港内人工作业影响水域除外)的海床由之前的淤积环境转为冲刷环境(图14)，特别是进港航道两侧的岸滩冲刷了1 m左右，同时由于航道维护底高程从-16.5 m降为-16.0 m，平均滩槽高差减小了将近一半，故目前航道的回淤强度比一期工程时明显减小。

图13 1951—2017年大通站年输沙量变化过程

5.2 常风天季节变化及台风天回淤原因

工程海域的泥沙运动以悬沙落淤为主，故水体背景含沙量是影响工程海域冲淤变化的主要因素。同时该工程海域水深和流急、本地泥沙的起悬和搬运及沉积均与潮流强弱有关[11-12]，故潮流强弱也是影响海床冲淤变化的重要因素。

在常风天，进港航道人工开挖段呈现“春夏基本冲淤平衡、局部冲刷，秋冬淤积为主”的明显的季节变化规律，且此变化与水体背景含沙量的季节变化基本一致。春夏季期间，水体平均含沙量逐月下降，航道呈现冲淤平衡甚至微冲态势；秋冬季期间，水体平均含沙量逐月上升，航道呈现淤积态势。

在台风天，以往的研究认为由于风浪较大可能产生浮泥，但在强潮流作用下，产生的浮泥容易被潮流带走，因此不会发生航道骤淤现象。本监测研究发现，台风对航道回淤会造成一定的影响，影响程度与台风的风力等级和路径有关。通常情况下，台风风力等级越高，掀起的浅滩泥沙越多，水体含沙量越大，故航道回淤越大，虞志英等[13]在连云港地区回淤研究中发现水体含沙量的分布与风速成较好的正线性关系。目前已有的关于航道回淤与台风路径的研究较少，顾伟浩[14]基于长江口北槽挖槽段回淤观测研究发现，转折型台风比登陆型台风造成的回淤影响更大。但由于缺乏台风过程中的潮流、水沙观测数据，目前还无法确定台风路径对航道回淤影响的机理，有待进一步的研究加以揭示。